《风能理论与技术》
上课教案
课程编号：
课程中文名称：风能理论与技术
课程英文名称： Theory and Technology of Wind Energy
开课学期：7
学分/学时：1.5／24
先修课程：大学物理、流体力学、工程热力学
开课对象：本科生
责任人名单：杜刚、陈江
一、课程简介：
《风能理论与技术》是能源与动力工程学院的专业基础课，以三年级本科生为授课对象，目的是为能源与动力工程学院的学生系统地讲授风能技术的基础理论和工程技术知识，为我国风能产业的发展培养科研和工程技术人才而设置。
风能利用是一个系统工程，风能技术是一门新兴的多学科、交叉型边缘科学，它涉及到流体力学、固体力学、机械工程、电气工程、材料科学、环境科学等多种学科和专业。课程以水平轴风力机为研究解剖对象，以风力机设计中涉及的空气动力学和结构动力学为理论基础,核心内容包括风力机空气动力学、风力机特性、风力机载荷、风力机气动设计、风力机结构及材料、风力机试验等内容，课程还包括风资源及其评估、风电场规划、风电场电气系统等外围知识的介绍，通过本课程学习，引导学生将所学的相关理论知识和方法应用到风力机实际设计中去，使学生能够系统地掌握风力机的基础理论和工程技术知识，提高工程应用的能力。
课程教学以课堂讲解为主，围绕理论和应用两条主线进行：在理论方面，针对本院学生在流体力学和固体力学方面理论基础扎实的优势，通过课堂推导和细致讲解，使其掌握风力机设计和分析中最基本的理论和最核心的方法；在应用方面，通过大量具体案例的讲解和课堂练习训练学生将理论方法应用于实际的能力和技巧，同时提供各种图片和视频，使学生对风能相关的知识和实际工程应用加深直观的了解，拓宽他们的视野；通过这两个方面的学习，是学生初步具备开展风能工程实际工作的能力，并为其在行业内发展打下坚实的理论基础。在教学方法上，以课堂授课为主，结合课间讨论、试验参观以及课后作业等教学形式，使学生牢固掌握风能技术的基础理论和工程技术知识，为以后工作进行风能领域的相关科学研究
和工程技术工作工作打下坚实基础。
二、单元教学任务
第一章风能概述（1学时）
内容：风能技术的发展历程；现代风力机技术；本课程概要。
要求：了解世界风能技术发展历史和现状，中国的风能利用状况，现代风力机技术的概况和风力机叶片设计的概要。
教学方案：本章教学主要目的是使学生对风能利用的历史发展过程、目前理论和技术的现状以及未来发展趋势获得一个全貌式的了解，对于本科程主要教学目的和核心内容需要掌握和记忆，教学中以水平轴风力机的设计与制造发展情况为主线，穿插其他非主流风力机的介绍，教学手段以图片和视频展示为主，力求直观。
第二章风资源（1学时）
内容：风能资源；复杂地形对风特性的影响；风湍流；风电场风能资源分析与评估方法。要求：了解风能资源的成因，风能的测量与评估，地理因素对风资源的影响，时间因素对风资源的影响；了解和掌握风资源中湍流的概念、定性和定量描述方法、对风能利用的影响；了解和掌握风速的描述和预测方法，风电场风能资源分析与评估方法。
教学方案：本章教学需要学生掌握风能资源的定量描述和计算方法，涉及到地理、气象等多个学科，需要学生对室外的地形、气候等形貌特征有基本概念，在定性概念方面以视频和图片等为主，建立直观形象，在定量公式方面，以细致的推导和讲解为主辅以课后练习。
第三章风力机空气动力学基础（4学时）
内容：空气动力学简介；空气流动属性和静力学；理想气体流动；不可压粘性气体流动。要求：了解空气动力学发展史、分类及研究方法；掌握大气特性、气体的压缩性、粘性概念；掌握作用在气头上力的描述方法；掌握理想气体运动的描述方法；掌握欧拉方程；掌握势函数与流函数概念，掌握基本平面无旋流动及其叠加；掌握不可压粘性气体流动中的层流和湍流概念，了解附面层理论和附面层分离现象。
教学方案：本章为本课程核心理论基础部分，需要学生熟练掌握；首先以空气动力学理论发展为线索，回顾空气动力学发展历史，结合重要理论和人物的介绍，提高学生兴趣，同时了解空气动力学的概貌；对于基本概念和物理现象，通过课堂问答、讨论、举例说明等方法加深学生的理解和记忆；主要公式的推导力求严密和细致，加强对细节的把握和理解，并通过随堂练习和课后作业保证学生的理解，本章理论性较强，公式较多，要求学生预习，以讲解为主辅以课后练习。
第四章风力机翼型空气动力学（4学时）
内容：翼型几何定义和气动参数；翼型分类与性能特征；翼型基本技术要求；翼型气动特性与几何特性的关系；风力机翼型设计。
要求：掌握翼型几何定义和气动参数；掌握翼型分类与性能特征，着重学习风力机翼型的性能特点；掌握风力机翼型基本技术要求；掌握翼型气动特性与几何特性的关系；掌握风力机
翼型设计理论和方法。
教学方案：本章为本课程的核心理论和应用知识部分，需要学生熟练掌握；翼型几何定义和气动参数部分，主要以图片和视频使学生有直观认识；气动特性与几何特性关系部分，采用试验结果分析和理论推导相结合的方式，使学生在了解结论的同时，掌握分析物理现象的方法和思路；在风力机翼型设计理论和方法方面，首先讲解风力机自身的特点，自然地将通用的翼型理论引入到风力机翼型的特殊情况，然后通过实例的讲解和练习，使学生既学习了理论知识，又掌握了设计方法；本章理论性较强，以讲解为主辅以课堂例题和课后练习。
第五章风电机组气动设计及性能计算（4学时）
内容：风电机组设计技术参数；风电机组气动设计方法；风电机组设计案例；风电机组尾流对性能的影响。
要求：了解和掌握风电机组设计技术参数的选择，风力机叶片型式的选择和特点；掌握风力机叶片翼型的选择与布置，掌握动量叶素理论，掌握风轮性能计算方法，了解叶片优化设计方法；了解3MW变速变距叶片外形设计过程；了解风电机组尾流对性能的影响。
教学方案：本章为本课程核心应用知识部分，需要学生熟练掌握；结合风力发电机组的国家和国际认证标准，讲解风电机组设计技术参数，引入风力机叶片型式选择的特点和基本考虑思路，对基本计算公式和方法进行推导，并通过实例进行应用讲解；动量叶素理论是目前风力机设计中的核心理论，将作为重点进行推导和讲解，同时通过例题和课后作业加强学生的理解和记忆；叶片优化设计涉及到理论和应用程序两个方面，通过一个实际的优化设计平台的搭建和使用的实例为主线来讲解；尾流影响部分主要作为一个物理现象来介绍，并引入风场布置方面的知识；本章理论性较强，公式较多，以讲解为主辅以课堂案例和课后练习。第六章风力发电机组载荷（2学时）
内容：风力发电机组设计载荷；风力发电机组载荷计算；风力发电机组载荷测量；风力发电机组载荷评估；
要求：了解风力发电机组各零部件和整体的载荷分类和特点；了解风力发电机组设计载荷的依据和标准；掌握气动、重力和惯性载荷的计算方法；了解载荷计算的不确定性；了解风力机发电机组载荷测量标准、状态和参数。
教学方案：本章为本课程主要理论和知识点部分，学生以了解为主；结合风力发电机组的国家和国际认证标准，讲解风力发电机组各零部件和整体的载荷分类和特点，讲解风力发电机组设计载荷的依据和标准；气动、重力和惯性载荷的计算方法是本章核心部分，要求学生通过练习掌握相关的计算方法；通过实例讲解载荷计算的不确定性，风力机发电机组载荷测量标准、状态和参数等；知识点较多，理论性较强，以讲解为主辅以课堂案例和课后练习。第七章风力机空气动力试验（2学时）
内容：试验空气动力学基础；风力机翼型试验；风力机风洞试验；。
要求：掌握相似原理与量纲分析方法；了解风洞和风场试验的基本内容；了解风力机翼型的试验设备、试验模型、数据测量和流动显示；了解风力机风洞试验中的试验设备、试验模型、
风轮气动特性试验、风力机组工作特性试验和流动显示试验；了解风力机风场试验中的设备、场地、样机；了解风力机外场的气动特性、机组性能、气动载荷和气动噪声试验。
教学方案：本章为本课程主要知识点，以了解为主；其中相似原理与量纲分析方法是核心内容，需要学生熟练掌握，将进行细致推导和例题讲解；对于试验技术，将以风洞的试验设备、试验模型、数据测量和流动显示为主要讲解线索，并结合风力机的特点，引入气动特性、机组性能、气动载荷和气动噪声试验等具体知识点和概念；本章理论性较强，实践性特征强，以图片和视频提高直观性，在条件允许的情况下让学生参观风力机风洞试验室。
第八章风力机气动弹性力学（2学时）
内容：结构动力学概述；风力机结构动力学基本概念；风力机系统结构动力学；风力机结构动力学的工程解法。
要求：了解结构动力学计算的目的和特点，动载荷种类，体系的动力自由度和振动时能量的耗散与阻尼，建立振动方程的方法；掌握风力机结构动力学基本概念，了解作用在风力机上的载荷情况，了解气弹载荷计算方法；了解风力机叶片、塔架、传动系统及风轮塔架整体的结构动力学分析方法；了解风力机结构动力学分析中的能量法、集中质量法、迭代法和子空间迭代法，了解有限单元法。
教学方案：本章为本课程中的主要知识点，要求学生了解为主；本章理论性较强，公式推导较多，理论部分以建立和求解体系振动方程为主线，引入体系的动力自由度和振动时能量的耗散与阻尼等概念，通过实例讲解能量法、集中质量法、迭代法、子空间迭代法和有限单元法；接下来讲解上述方法在风力机结构动力学中的实际应用，使学生达到能够进行工程计算的程度；本章以讲解为主辅以课堂案例和课后练习。
第九章计算流体力学在风力机中的应用（2学时）
内容：CFD基本概念；外形与网格生成；计算设置和流场求解；计算结果显示；计算结果可信性分析；CFD在风力机中的应用。
要求：了解CFD的基本概念与内容；了解模型外形的几何定义与数值计算网格生成方法；了解建立流动计算模型中的边界条件、流动参数、求解格式的选择与求解过程；了解计算结果的后处理与结果显示；了解CFD结果的置信度分析方法和流程；了解CFD在风力机中的应用。教学方案：本章为本课程主要理论和知识点，要求学生了解；主要以CFD的基础理论和实际应用中的基本概念和方法的了解为主，不追求深入细致的理论推导，而是以解决学生在CFD 实际应用中对具体概念和知识无法正确和合理理解问题为主，理清CFD应用的思路和头绪，解释易于混淆的概念，使学生能够快速地上手使用CFD工具开展风力机气动设计和分析，在实践中学习理论知识；本章知识点多而零散，实践性强，以图片和视频为主增加直观性。第十章风力机叶片的结构设计（2学时）
内容：风力机叶片结构设计概述；风力机叶片结构材料；风力机叶片成型工艺；风力机叶片结构的性能验证。
要求：了解风力机叶片结构设计的原则、条件和设计步骤；了解风力叶片结构材料的特点、
类型和选择方法；了解风力机叶片成型工艺的流程和特点；了解风力机叶片结构的性能验证方法与过程。
教学方案：本章为本课程主要知识点，要求学生了解和记忆；以图片和视频的方式，使学生了解工程叶片结构加工的过程，了解各种材料的性能特点和工艺过程以及实际使用中遇到的问题，以案例讲解为主。
第十一章风力机优化设计方法（2学时）
内容：Glauert优化方法；现代气动设计方法与实践；系统设计与多学科；气动与结构的解耦；气动工程师与系统工程。
要求：了解Glauert优化方法的原理、流程与算法；了解现代气动设计理论与优化方法；了解系统设计与多学科设计的概念；了解气动与结构解耦设计的流程与方法；了解风力机设计中气动工程师在系统工程中的作用。
教学方案：本章为整个课程的总结，通过与学生共同针对一个风力机优化设计的实例，对本课程所学的理论、知识和技术以及各种应用计算软件串联起来，形成整体的概念和知识架构；总结和概念性内容，以案例讲解为主，要求学生对已学习的内容能够复现和应用。
三、课型
新授课
四、教学目标与特色
以提高学生将所学理论知识应用到风能工程实际的能力为教学目标，以打牢流体力学和结构动力学理论基础为教学核心，通过大量案例讲解训练学生使用理论工具解决工程问题的能力，通过系统讲解风能应用相关知识点开阔学生的视野，最终达到培养能够初步具备开展风能工程实际工作的能力，并为其在行业内发展打下坚实的理论基础。
1）知识层次
（1）使学生掌握扎实的流体力学、结构动力学理论知识；
（2）使学生学到风能行业相关的广泛知识；
2）能力层次
（1）使学生学到解决风力机工程分析和设计问题的有效工具；
五、教学重点和难点
5.1 教学重点在于大量理论方法的推导和工程方法的学习和训练；
5.2 教学难点在于学生学习了一定的理论基础，但是缺乏在工程实际上应用的经验；对于风能行业的知识了解较少，不易形成直观的概念；
5.3 处理方法主要是讲解理论方法的同时配上大量的案例，并针对性地进行习题练习。